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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konsolidierung einer Faserverbundstruktur mit wenigstens einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer, bei dem die Faserverbundstruktur zwischen zwei Presselementen einer Vorrichtung zum Konsolidieren der Faserverbundstruktur angeordnet wird, wobei die Presselemente so aufeinander zu gedrückt werden, dass die Faserverbundstruktur zwischen den Presselementen gepresst wird, wobei die Faserverbundstruktur zumindest bis in den Bereich einer Schmelztemperatur des wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers erwärmt wird, und wobei die konsolidierte Faserverbundstruktur nach dem Abkühlen aus der Vorrichtung entnommen wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Konsolidieren von Faserverbundstrukturen mit wenigstens einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer, wobei die Vorrichtung zwei Presselemente, zwischen denen die Faserverbundstruktur zum Konsolidieren angeordnet werden kann, wenigstens eine Presseinrichtung, mit der die Presselemente so aufeinander zu gedrückt werden können, dass die Faserverbundstruktur zwischen den Presselementen gepresst wird, und wenigstens eine Heizeinrichtung, mit der die Faserverbundstruktur erwärmt werden kann, umfasst.
Aus der
DE 10 2017 105 450 A1 ist ein Verfahren zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur mit zumindest einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer angegeben, umfassend Anordnen der Faserverbundstruktur zwischen einer plattenförmigen Unterlage und einer plattenförmigen Abdeckung in einer Belade-/Entladestation einer Fördervorrichtung, wobei die Abdeckung durch ein Dichtelement in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen die Unterlage abgedichtet wird, Erzeugen eines Unterdrucks in dem Zwischenraum zwischen der Unterlage und der Abdeckung, so dass der Umgebungsdruck die Abdeckung gegen die Unterlage drückt und die Faserverbundstruktur zwischen der Abdeckung und der Unterlage gepresst wird, Erwärmen der Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung vorzugsweise zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des zumindest einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers in einer Heizstation der Fördervorrichtung, Kühlen der Faserverbundstruktur in einer Kühlstation der Fördervorrichtung; und Entnahme der konsolidierten Faserverbundstruktur von der Unterlage oder Entnahme der mit der konsolidierten Faserverbundstruktur belegten Unterlage aus der Fördervorrichtung. Eine mit einer Kavität versehene Abdeckung kann geeignet als Abdeckung zum Konsolidieren verwendet werden, um mit dem vorgenannten Verfahren Faserverbundstrukturen mit zumindest einem Höhensprung zu ertüchtigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu gestalten, die flexibler und schneller an Höhensprünge von zu konsolidierenden Faserverbundstrukturen angepasst werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren dadurch gelöst, dass wenigstens ein separates Ausgleichselement im Bereich wenigstens eines Höhensprungs der Faserverbundstruktur so zwischen der Faserverbundstruktur und einem der Presselemente angeordnet wird, dass mit dem wenigstens einen Ausgleichselement der wenigstens eine Höhensprung gegenüber dem besagten einen der Presselemente ausgeglichen wird.
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Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Ausgleichselement als Platzhalter verwendet, mit welchem der wenigstens eine Höhensprung der Faserverbundstruktur so ausgeglichen wird, dass insgesamt eine gleichmäßige Höhe realisiert wird. So kann auf der dem besagten Presselement zugewandten Seite der Faserverbundstruktur mit dem wenigstens einen Ausgleichselement eine stufenfreie, insbesondere ebene Oberfläche realisiert werden. Auf diese Weise können die Presselemente auf ihren der Faserverbundstruktur zugewandten Seiten ebenfalls mit stufenfreien, insbesondere ebenen Oberflächen ausgestattet sein. Die Presselemente können so einfacher hergestellt und flexibler eingesetzt werden. So können auch für Faserverbundstrukturen, welche unterschiedliche Höhensprünge aufweisen, dieselben Presselemente verwendet werden. Um die unterschiedlichen Höhensprünge auszugleichen, werden zu den Höhensprüngen passende Ausgleichselemente individuell eingesetzt. Dieselbe Vorrichtung zur Konsolidierung kann somit flexibler für Faserverbundstrukturen mit unterschiedlichen Höhensprüngen eingesetzt werden.
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Das wenigstens eine Ausgleichselement durchläuft mit der Faserverbundstruktur den Konsolidierungsprozess. Mit dem wenigstens einen Ausgleichselement wird verhindert, dass es beim Zusammendrücken der Presselemente zu Verschiebungen und Vergleichmäßigungen der Oberfläche der Faserverbundstruktur kommt. Ohne das wenigstens eine Ausgleichselement würden ebene Oberflächen der Presselemente den wenigstens einen Höhensprung ausgleichen, sodass dieser verschwindet. Die Faserverbundstruktur würde die gewünschte Form verlieren.
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Höhensprünge sind erforderlich, um die Faserverbundstruktur an ihren Verwendungszweck und die notwendigen Gegebenheiten anzupassen. Mithilfe von Höhensprüngen können Bauteil-Geometrien, Lasteinträge, Verstärkungsrippen oder dergleichen bei Faserverbundstrukturen realisiert werden. Höhensprünge bewirken, dass die Faserverbundstruktur eine über ihre Ausdehnung in Breite und Länge variierende Höhe aufweist. Die Höhe der Faserverbundstrukturen kann auch als „Dicke“ bezeichnet werden. Entsprechend kann ein Höhensprung auch als „Dickensprung“ bezeichnet werden.
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Durch die Verwendung von entsprechend angepassten Ausgleichselementen ist es nicht erforderlich, die Presselemente selbst an die entsprechenden Höhensprünge der Faserverbundstruktur anzupassen, wie dies bei der aus dem Stand der Technik bekannten Abdeckung erforderlich ist. Die Presselemente können auf diese Weise flexibler für unterschiedlich geformte Faserverbundstrukturen eingesetzt werden. So kann ein Aufwand insbesondere in Bezug auf Werkzeuge und/oder Montageaufwand, beispielsweise für einen Werkzeugwechsel, verringert werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Innenseite wenigstens eines der Presselemente, welche der Faserverbundstruktur zugewandt ist, eben sein. Auf diese Weise kann ein gleichmäßiger Pressdruck auf die Faserverbundstruktur ausgeübt werden. Ferner können ebene Seiten einfacher realisiert werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eines der Presselemente plattenförmig ausgestaltet sein. Plattenförmige Presselemente können einfacher hergestellt werden als insbesondere gebogene und/oder strukturierte Presselemente. Ferner kann bei plattenförmigen Presselementen wenigstens eine Oberfläche eben ausgestaltet werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eines der Presselemente biegestabil sein. Auf diese Weise kann ein gleichmäßiger Druck auf die Faserverbundstruktur ausgeübt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eines der Presselemente flexibel sein. Auf diese Weise kann dieses Presselement insbesondere mittels eines Unterdrucks flexibel gegen die Faserverbundstruktur gepresst werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eines der Presselemente als Folie ausgestaltet sein. So kann einfach ein flexibles Presselemente realisiert werden.
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Vorteilhafterweise kann eines der Presselemente, insbesondere eine Unterlage, eine mechanisch stabile, wenig verformbare Platte sein. Das andere Presselement, insbesondere eine Abdeckung, kann eine Folie oder ein Blech sein. Auf diese Weise können die Presselemente insgesamt flexibler ausgestaltet werden.
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Vorteilhafterweise können die Presselemente mithilfe eines Unterdrucks und/oder wenigstens eines mechanischen, elektromechanischen, hydraulischen oder dergleichen, auch kombinierten Antriebs aufeinander zu bewegt und gepresst werden. Auf diese Weise kann die entsprechende Druckkraft zwischen den Presselementen kontrolliert vorgegeben werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eines der Presselemente für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, wenigstens teilweise transparent sein. Auf diese Weise kann der Faserverbundstruktur mittels entsprechenden Strahlungsquellen, die auf einer Außenseite der Presselemente angeordnet sein können oder zumidnest diese Presselemente bestrahlen, erwärmt werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eines der Presselemente aus einem Material sein, das für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, wenigstens teilweise transparent sind.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eines der Presselemente für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, teildurchlässig oder undurchlässig sein. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Faserverbundstruktur von der Seite mit dem wenigstens einen teildurchlässigen oder undurchlässigen Presselemente mittels der elektromagnetischen Strahlung erwärmt wird. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn aufgrund der Ausgestaltung der Faserverbundstruktur eine zu starke Erwärmung von einer Seite unerwünscht ist, insbesondere weil dies zu Überhitzung der Faserverbundstrukturen und zur Beschädigung führen könnte. Alternativ oder ergänzend kann auch eines der Presselemente zumindest teilweise mit die Strahlung reflektierenden Mitteln abgedeckt werden, so dass an den abgedeckten Stellen auch keine Absorption und somit direkte Erwärmung der darunterliegenden Faserverbundstruktur erfolgt. Weiter alternativ oder ergänzende kann auch die elektromagnetische Strahlung derart gesteuert werden, dass nur diejenigen Bereiche mit Strahlung beaufschlagt werden, welche durch die Faserverbundstruktur abgedeckt sind.
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Bei den Faserverbundstrukturen kann es sich bevorzugt um carbonfaserverstärkten Kunststoff oder dergleichen handeln. Die Faserverbundstrukturen können als endlosfaserverstärkte Bauteile realisiert werden. Für endlosfaserverstärkte Bauteile können insbesondere textiles Faser-Halbzeug, wie mit einem Binder benetzte und/oder mit einer Matrix teilweise oder vollständig imprägnierte Faser-Garne und/oder Flächengebilde, sogenannte Prepregs, wie Faser-Gewebe, Faser-Gestricke, Faser-Gelege oder Faser-Matten, verwendet werden. Als Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe können insbesondere Materialien aus den Gruppen der Thermoplaste und gegebenenfalls zusätzlicher elastifizierender Komponenten wie Elastomere eingesetzt werden, welche sich in der Festigkeit, der maximalen Dehnung, der Einsatztemperatur, der Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Chemikalienbeständigkeit unterscheiden können.
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Die Faserverbundstrukturen können als sogenannte Tapes realisiert sein. Mit einem Tape ist im Zusammenhang vorzugsweise jegliche Art von bahnförmigem Material, insbesondere ein Prepreg-Material, gemeint. Derartige Tapes können insbesondere eine Breite zwischen 30 mm und 200 mm aufweisen. Tapes sind für ein Ablegen mittels einer sogenannten Tape-Legevorrichtung geeignet.
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Vorteilhafterweise können die Faserverbundstrukturen zur Realisierung von Automobilbauteilen verwendet werden. Mithilfe der Erfindung können so entsprechende Formen und Konturen der Bauteile aus der Faserverbundstruktur flexibler ausgestaltet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein Ausgleichselement an einem der Presselemente fixiert und die Faserverbundstruktur so bezüglich dem Presselement angeordnet werden, dass das wenigstens eine Ausgleichselement mit dem entsprechenden wenigstens einen Höhensprung zusammengebracht wird, und/oder wenigstens ein Ausgleichselement kann unabhängig von den Presselementen mit dem entsprechenden wenigstens einen Höhensprung der Faserverbundstruktur zusammengebracht werden.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement an einem der Presselemente fixiert werden. So kann das wenigstens eine Ausgleichselement mit dem Presselement vorbereitet werden. Das wenigstens eine Ausgleichselement kann an dem Presselement verbleiben, wenn die Faserverbundstruktur entnommen wird. Die Faserverbundstruktur kann so positioniert werden, dass das wenigstens eine an dem Presselement fixierte Ausgleichselement mit dem entsprechenden wenigstens einen Höhensprung zusammengebracht wird.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement lösbar an dem wenigstens einen Presselement fixiert werden. Auf diese Weise kann das wenigstens eine Ausgleichselement einfach ausgetauscht werden. So kann die Vorrichtung zur Konsolidierung einfacher an Faserverbundstrukturen mit anders angeordneten und/oder anders ausgestalteten Höhensprüngen angepasst werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Ausgleichselement unabhängig von den Presselementen mit dem entsprechenden wenigstens einen Höhensprung der Faserverbundstruktur zusammengebracht werden. Dabei kann das wenigstens eine Ausgleichselement zunächst mit dem wenigstens einen Höhensprung zusammen gebracht werden. Anschließend kann die Faserverbundstruktur mit dem wenigstens einen Ausgleichselement zwischen den Presselementen angeordnet werden. Auf diese Weise kann die Faserverbundstruktur mit dem wenigstens einen Ausgleichselement auch außerhalb der Vorrichtung zum Konsolidieren vorbereitet und anschließend zwischen den Presselementen angeordnet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Ausgleichselement mit dem entsprechenden wenigstens einen Höhensprung zusammengebracht werden, nachdem die Faserverbundstruktur auf ein insbesondere räumlich unteres Presselement aufgelegt wurde. Anschließend kann ein räumlich oberes Presselement so platziert werden, dass die Faserverbundstruktur mit dem wenigstens einen Ausgleichselement zwischen den Presselementen angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Faserverbundstruktur stabil auf dem unteren Presselement platziert werden, während das wenigstens eine Ausgleichselement mit dem wenigstens einen Höhensprung zusammengebracht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die konsolidierte Faserverbundstruktur nach dem Abkühlen entnommen werden, wobei wenigstens ein Ausgleichselement an wenigstens einem Presselement verbleibt und/oder die konsolidierte Faserverbundstruktur kann nach dem Abkühlen gemeinsam mit dem wenigstens einen Ausgleichselement entnommen werden und nach der Entnahme kann das wenigstens eine Ausgleichselement von der konsolidierten Faserverbundstruktur entfernt werden und/oder das wenigstens eine Ausgleichselement kann von der konsolidierten Faserverbundstruktur getrennt werden und anschließend kann die konsolidierte Faserverbundstruktur entnommen werden.
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Vorteilhafterweise kann die konsolidierte Faserverbundstruktur entnommen werden, wobei wenigstens ein Ausgleichselement an wenigstens einem Presselement verbleibt, insbesondere dort gehalten wird. Auf diese Weise kann die Faserverbundstruktur ohne zusätzliches Werkzeug von dem wenigstens einen Ausgleichselement getrennt werden. Das wenigstens eine Ausgleichselement kann zur weiteren Verwendung, insbesondere zur Konsolidierung einer weiteren Faserverbundstruktur mit dem gleichen wenigstens einen Höhensprung, ohne Umbau weiterverwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Ausgleichselement bei der Entnahme der konsolidierten Faserverbundstruktur im Bereich des wenigstens einen Höhensprungs verbleiben und nach Entnahme der konsolidierten Faserverbundstruktur von der Faserverbundstruktur getrennt werden. Auf diese Weise muss das wenigstens eine Ausgleichselement nicht an dem wenigstens einen Presselement fixiert werden. Nach der Entnahme kann die Faserverbundstruktur etwas gebogen werden, wodurch das Trennen des wenigstens einen Ausgleichselements vereinfacht wird. So kann das wenigstens eine Ausgleichselement auch dann von der Faserverbundstruktur getrennt werden, wenn bei der Konsolidierung der Faserverbundstruktur das wenigstens eine Ausgleichselement mit der Faserverbundstruktur verbunden wird, insbesondere verklebt oder verbackt.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Ausgleichselement von der konsolidierten Faserverbundstruktur getrennt werden, bevor die Faserverbundstruktur entnommen wird. Auf diese Weise kann die konsolidierte Faserverbundstruktur stabiler an dem insbesondere unteren Presselement platziert bleiben. Auf diese Weise können Verformungen der konsolidierten Faserverbundstruktur bei der Trennung des wenigstens einen Ausgleichselements vermieden werden.
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Alternativ oder ergänzend kann das Ausgleichselement mit einen Spalt zur umliegenden Faserverbundstruktur in einer Ebene senkrecht zur Höhe der Faserverbundstruktur gelegt wird, wobei der Spalt bevorzugt kleiner 3 mm, besonders bevorzugt kleiner 2 mm, höchst bevorzugt kleiner 1 mm ist. Hierdurch können auch bei kleinen Ungenauigkeiten im Zuschnitt von Faserverbundstruktur und/oder Ausgleichselement diese verwendet werden. Insbesondere können durch den Spalt auch unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Faserverbundstruktur und Ausgleichselement berücksichtigt werden.
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Ferner wird die Aufgabe bei der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung wenigstens ein separates Ausgleichselement aufweist, welches auf der entsprechenden Seite komplementär zu wenigstens einem Höhensprung der Faserverbundstruktur geformt ist und das zwischen den Presselementen angeordnet ist oder werden kann.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein separates Ausgleichselement vorgesehen, welches komplementär zu dem wenigstens einen Höhensprung der Faserverbundstruktur geformt ist. Auf diese Weise kann der wenigstens eine Höhensprung auf der dem jeweiligen Presselement zugewandten Seite ausgeglichen werden. Das wenigstens eine Ausgleichselement dient so gewissermaßen als Platzhalter, welcher den wenigstens einen Höhensprung ausfüllt.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement auf seiner der komplementären Seite gegenüberliegenden Seite eben sein. Auf diese Weise kann die Kontur dieser Seite stufenlos in die Kontur der benachbarten Oberfläche der Faserverbundstrukturen übergehen.
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Das wenigstens eine Ausgleichselement ist separat. Das bedeutet, dass es nicht oder nur zerstörungsfrei lösbar an einem der Presselemente befestigt ist. Das wenigstens eine Ausgleichselement kann so flexibler angeordnet werden.
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Vorteilhafterweise kann aus einer Auswahl von unterschiedlich geformten Ausgleichselementen dasjenige Ausgleichselement verwendet werden, welches zu dem wenigstens einen Höhensprung der aktuell zu konsolidierenden Faserstruktur passt. Insgesamt kann so die Vorrichtung flexibler betrieben werden.
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Die Vorrichtung zur Konsolidierung von Faserverbundstrukturen kann Teil einer Belade- und/oder Entladestation einer Fördervorrichtung sein. Auf diese Weise können die Faserverbundstrukturen der Vorrichtung zur Konsolidierung hin befördert und/oder die konsolidierten Faserverbundstrukturen von der Vorrichtung zur Konsolidierung weg befördert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Ausgleichselement für elektromagnetische Strahlung durchlässig oder teildurchlässig sein oder wenigstens ein Ausgleichselement kann für elektromagnetische Strahlung reflektierend sein. Auf diese Weise kann ein Aufheizen des wenigstens einen Ausgleichselements durch elektromagnetische Strahlung vermieden oder zumindest verringert werden.
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Vorteilhafterweise kann die elektromagnetische Strahlung Infrarotstrahlung sein. Mit Infrarotstrahlung kann die Faserverbundstrukturen zum Konsolidieren erwärmt werden.
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Vorteilhafterweise kann die elektromagnetische Strahlung mittels der Heizeinrichtung erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement gegenüber elektromagnetischer Strahlung nicht oder gering absorbierend sein.
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Transparente Ausgleichselemente haben den Vorteil, dass die elektromagnetische Strahlung durch sie hindurch strahlen kann und dadurch den entsprechend mit dem wenigstens einen Ausgleichselement abgedeckten Bereich der Faserverbundstruktur erreichen und erwärmen kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Ausgleichselement für elektromagnetische Strahlung reflektierend sein. Auf diese Weise kann in dem Bereich der Faserverbundstruktur, der mit dem wenigstens einen Ausgleichselement abgedeckt wird, weniger oder keine elektromagnetische Strahlung zur Oberfläche der Faserstruktur gelangen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Bereich der Faserverbundstruktur, in dem sich das wenigstens eine Ausgleichselement befindet, eine verhältnismäßig geringe Höhe aufweist. So kann verhindert werden, dass dieser Bereich zu heiß wird, was zu Beschädigungen führen kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Ausgleichselement eine mechanische Komprimierbarkeit aufweisen, welche zumindest in Richtung der Kraft, mit der die Presselemente die Faserverbundstruktur pressen, gleich oder geringer ist, als die entsprechende Komprimierbarkeit der Faserverbundstruktur. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass das wenigstens eine Ausgleichselement beim Zusammenpressen der Faserverbundstruktur im Bereich des wenigstens einen Ausgleichselements und damit des wenigstens einen Höhensprungs eine größere Kompression der Faserverbundstruktur bewirkt, als außerhalb des Bereichs des Höhensprungs. So kann vermieden werden, dass das wenigstens eine Ausgleichselement beim Pressen der Faserverbundstruktur eine Veränderung des wenigstens einen Höhensprungs bewirkt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Ausgleichselement wenigstens teilweise flexibel sein. Auf diese Weise kann das wenigstens eine Ausgleichselement einfacher von der Faserverbundstruktur entformt werden. So können etwaige Biegekräfte beim Entformen und Ablösen des Ausgleichselements besser kompensiert werden. Derartige Biegekräfte können insbesondere dann auftreten, wenn das wenigstens eine Ausgleichselement beim Konsolidierungsprozess eine Verbindung, insbesondere Verbackungen oder Verklebungen oder dergleichen, mit der Faserverbundstruktur eingeht. Derartige Verbindungen müssen beim Entformen getrennt werden.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement wenigstens teilweise elastisch sein. Auf diese Weise kann es nach einer Verformung seine ursprüngliche Form wieder einnehmen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Ausgleichselement das gleiche thermische Verhalten oder ein zumindest ähnliches thermisches Verhalten aufweisen wie die Faserverbundstruktur. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich das wenigstens eine Ausgleichselement beim Erwärmen relativ zur Faserverbundstruktur verformt, wodurch der wenigstens eine Höhensprung verformt werden würde. Durch das gleiche oder ähnliche thermische Verhalten können entsprechende mechanische Spannungen zwischen dem wenigstens einen Ausgleichselement und der Faserverbundstruktur vermieden oder verringert werden, welche die Oberflächenstruktur der Faserverbundstruktur verändern würden.
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Vorzugsweise weist das Ausgleichselement zur Faserverbundstruktur kongruente Eigenschaften auf. Damit weist das Ausgleichselement zumindest nahezu identische thermische, mechanische und/oder elektrische Eigenschaften wie die Faserverbundstruktur auf.
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Vorteilhafterweise kann die Schmelztemperatur des wenigstens einen Ausgleichselements wenigstens so groß sein wie die Schmelztemperatur des Faserverbundstruktur und/oder der Polymere. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich das wenigstens eine Ausgleichselement beim Zusammenpressen der Presselemente stärker verformen lässt, als die Faserverbundstruktur, was die Ausgleichsfunktion des wenigstens einen Ausgleichselements vermindern würde.
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Vorteilhafterweise kann eine thermische Ausdehnung des wenigstens einen Ausgleichselements geringer sein als eine thermische Ausdehnung der Faserverbundstruktur. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich das wenigstens eine Ausgleichselement über den Bereich des wenigstens einen Höhensprungs hinaus ausdehnt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Ausgleichselement Glas, Quarzglas, Verbundwerkstoff, Metall oder ein Kombination aus verschiedenen Werkstoffen aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise kann mit dem entsprechenden Werkstoff oder einer Kombination von Werkstoffen die erforderlichen mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften erreicht werden.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Ausgleichselement verchromtes, poliertes oder dergleichen bearbeitetes Metall aufweisen oder daraus bestehen. So können verspiegelte, für elektromagnetische Strahlung reflektierende, Oberflächen realisiert werden.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement Edelstahl, nicht wärmeausdehnenden Stahl, Aluminium oder dergleichen aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise kann eine erforderliche mechanische und thermische Stabilität erreicht werden.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Ausgleichselement aus dem gleichen Material wie die Faserverbundstruktur aufgebaut sein.
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Alternativ oder ergänzend kann es sich beim dem zumindest einen Ausgleichselement um Einmal-Produkt handeln, welches nach einmaligen Gebrauch entsorgt werden muss. Insbesondere ist dies der Fall, wenn das Ausgleichsmaterial nicht reversible Eigenschaften hat und nach der Konsolidierung einen physikalischen und/oder chemischen veränderten Zustand gegenüber der ursprünglichen Form eingenommen hat.
Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Ausgleichselement das gleiche Material wie wenigstens eines der Presselemente aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise kann das wenigstens eine Ausgleichselement den bei der Konsolidierung auftretenden thermischen und mechanischen Kräften besser widerstehen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens ein Ausgleichselement zumindest auf seiner der Faserverbundstruktur zugewandten Seite eine an der Faserverbundstruktur nicht haftende Oberfläche aufweisen und/oder wenigstens ein Ausgleichselement kann zumindest auf der der Faserverbundstruktur zugewandten Seite für die Faserverbundstruktur nicht-haftend beschichtet sein und/oder zwischen wenigstens einem Ausgleichselement und der Faserverbundstruktur kann wenigstens eine Trennschicht angeordnet sein, welche ein Anhaften der Faserverbundstruktur an der Oberfläche des wenigstens einen Ausgleichselements verhindern oder minimieren kann.
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Auf diese Weise kann eine Verbindung, insbesondere Verbackung oder Verklebung oder dergleichen, zwischen dem wenigstens einen Ausgleichselement und der Faserverbundstruktur verhindert oder zumindest verringert werden.
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Vorteilhafterweise kann zwischen dem wenigstens einen Ausgleichselement und der Faserverbundstruktur wenigstens eine Trennfolie angeordnet werden. Die wenigstens eine Trennfolie kann ein Anhaften des wenigstens einen Ausgleichselements an der Faserverbundstruktur verhindern.
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Wenigstens eine Trennfolie kann vorteilhafterweise fest mit dem wenigstens einen Ausgleichselement verbunden sein. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Trennfolie einfach gemeinsam mit dem wenigstens einen Ausgleichselement vor dem Konsolidierungsprozess an dem Höhensprung der Faserverbundstruktur angeordnet und nach dem Konsolidierungsprozess von der Faserverbundstruktur getrennt werden.
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Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung zum Konsolidieren eine Doppelkammeranordnung aufweisen. In der Doppelkammeranordnung können die Presselemente und dazwischen die Faserverbundstruktur mit dem wenigstens einen Ausgleichselement angeordnet werden. Die Doppelkammer kann eine äußere Kammer und eine innere Kammer aufweisen. Die äußere Kammer umgibt die innere Kammer. In der inneren Kammer sind die Presselemente mit der Faserverbundstruktur angeordnet. Durch entsprechende Unterdrucke können die Presselemente zusammengedrückt und so die Faserverbundstruktur eingepresst werden. Mithilfe der Doppelkammeranordnung können Lufteinschlüsse zwischen dem wenigstens einen Ausgleichselement und der Faserverbundstruktur vermieden werden.
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Alternativ oder ergänzend wird die Trennschicht durch eine Trennfolie oder durch Aufsprühen eines Trennmittels auf die Faserverbundstruktur und/oder das Ausgleichselement erzielt.
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Im Übrigen gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren jeweiligen vorteilhaften Ausgestaltungen aufgezeigten Merkmale und Vorteile untereinander entsprechend und umgekehrt. Die einzelnen Merkmale und Vorteile können selbstverständlich untereinander kombiniert werden, wobei sich weitere vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen schematisch
- 1 eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur mit einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, in einem Verfahrensschritt beim Auflegen der Faserverbundstruktur auf ein unteres Presselement;
- 2 die Vorrichtung aus der 1 in einem Verfahrensschritt beim Anordnen eines Ausgleichselements in eine Vertiefung der Faserverbundstruktur;
- 3 die Vorrichtung aus den 1 und 2 in einem Verfahrensschritt, in dem die Faserverbundstruktur mit dem eingelegten Ausgleichselement zwischen dem unteren Presselement und einem oberen Presselement gepresst und mit einer Infrarotheizung erwärmt wird;
- 4 die Vorrichtung aus den 1 bis 3 in einem Verfahrensschritt, in dem das Ausgleichselement von der konsolidierten Faserverbundstruktur getrennt wird;
- 5 die Vorrichtung aus den 1 und 2 in einem Verfahrensschritt gemäß einem alternativen Verfahren zum Konsolidieren der Faserverbundstruktur, in dem die Faserverbundstruktur mit dem eingelegten Ausgleichselement auf das untere Presselement aufgelegt wird;
- 6 die Vorrichtung aus der 5 in einem Verfahrensschritt, in dem die Faserverbundstruktur mit dem eingelegten Ausgleichselement zwischen dem unteren Presselement und dem oberen Presselement gepresst und mit der Infrarotheizung erwärmt wird;
- 7 die Vorrichtung aus den 5 und 6 in einem Verfahrensschritt, in dem die konsolidierte Faserverbundstruktur entnommen wird und das Ausgleichselement von der entnommenen konsolidierten Faserverbundstruktur entfernt wird;
- 8 eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem das Ausgleichselement an dem unteren Presselement befestigt ist, in einem Verfahrensschritt gemäß einem weiteren alternativen Verfahren, in dem die Faserverbundstruktur auf das untere Presselement gelegt wird;
- 9 die Vorrichtung aus der 8 in einem Verfahrensschritt, in dem die Faserverbundstruktur mit dem eingelegten Ausgleichselement zwischen dem unteren Presselement und dem oberen Presselement gepresst und mit einer Infrarotheizung erwärmt wird;
- 10 die Vorrichtung aus den 8 und 9 in einem Verfahrensschritt, in dem die konsolidierte Faserverbundstruktur von dem unteren Presselement entfernt wird, wobei das Ausgleichselement an dem unteren Presselement verbleibt.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 4 ist eine Vorrichtung 10 zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur 12 in unterschiedlichen Verfahrensschritten gezeigt.
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Bei der Faserverbundstruktur 12 handelt es sich beispielhaft um ein sogenanntes Tapegelege, welches aus einzelnen Tapes aufgebaut ist, die aus Fasern besteht, die mit thermoplastischem und/oder thermoelastischem Polymer verbunden sind. Mit der Vorrichtung 10 zum Konsolidieren wird die Faserverbundstruktur 12 gepresst und erwärmt.
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Aus der Faserverbundstruktur 12 hergestellte Bauteile können beispielsweise in der Automobilindustrie eingesetzt werden.
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Die Faserverbundstruktur 12 weist auf einer Seite, in der 1 oben, eine Vertiefung 14 auf. Die Faserverbundstruktur 12 mit der Vertiefung 14 ist beispielsweise aus einer Endlosbahn vorgefertigt.
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Die Vertiefung 14 bildet einen Höhensprung in der Faserverbundstruktur 12. Ein Höhensprung bedeutet, dass sich eine Höhe 15 der Faserverbundstruktur 12 in diesem Bereich verändert. Die Höhe 15 ist die Ausdehnung der Faserverbundstruktur 12 senkrecht zu ihrer Länge und ihrer Breite. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Höhe 15 senkrecht zu einer in der 1 oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche der Faserverbundstruktur 12. Im Falle der Vertiefung 14 verringert sich die Höhe 15 der Faserverbundstruktur 12 im Vergleich zu dem benachbarten Bereichen.
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Die Vorrichtung 10 weist ein unteres Presselement 16 und ein oberes Presselement 18 auf. Die Presselemente 16, 18 sind für Infrarotstrahlung durchlässig. Die Presselemente 16, 18 sind beispielsweise als ebene Platten aus Quarzglas realisiert. Das untere Presselement 16 ist beispielsweise auf einer nicht gezeigten Trageeinrichtung, beispielsweise einem Tisch, montiert.
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Ferner weist die Vorrichtung 10 ein Ausgleichselement 20 auf. Das Ausgleichselement 20 ist auf einer Seite, in der 1 unten, komplementär zu der Vertiefung 14 in der Faserverbundstruktur 12. Auf der gegenüberliegenden Seite, in der 1 oberen, ist das Ausgleichselement 20 eben. Das Ausgleichselement 20 besteht aus einem Material, welches beispielhaft die gleichen mechanischen Eigenschaften und das gleiche thermische Verhalten wie die Faserverbundstruktur 12 aufweist. Die Schmelztemperatur des Ausgleichselements 20 liegt über der Schmelztemperatur der Polymere der Faserverbundstruktur 12. Das Ausgleichselement 20 ist ferner beispielhaft durchlässig für Infrarotstrahlung. Beispielsweise kann das Ausgleichselement 20 aus dem gleichen Quarzglas bestehen wie die Presselemente 16, 18.
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Außerdem hat das Ausgleichselement 20 auf der der Vertiefung 14 zugewandten Seite, in der 1 unten, eine nicht haftende Oberfläche. Die Oberfläche ist beispielsweise mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 eine Presseinrichtung 22. Mit der Presseinrichtung 22 können die Presselemente 16 und 18 aufeinander zu bewegt und gedrückt werden. Die Presseinrichtung 22 verfügt beispielhaft über eine Vakuumpumpe 24, welche mittels einer Vakuumverbindung 26 mit einem Zwischenraum zwischen den Presselementen 16, 18 verbunden ist. Die Vakuumverbindung 26 führt durch ein Dichtelement 28. Das Dichtelement 28 ist zwischen den Presselementen 16, 18 angeordnet und umgibt die Faserverbundstruktur 12 umfangsmäßig zusammenhängend.
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Im Übrigen weist die Vorrichtung 10 eine Heizeinrichtung 30 auf. Die Heizeinrichtung 30 umfasst einen unteren Infrarotstrahler 32 und einen oberen Infrarotstrahler 34. Der untere Infrarotstrahler 32 ist unter dem unteren Presselement 16 angeordnet und auf das untere Presselement 16 gerichtet. Der obere Infrarotstrahler 34 ist über dem oberen Presselement 18 angeordnet und auf das obere Presselement 18 gerichtet.
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Das Verfahren zur Konsolidierung der Faserverbundstruktur 12 gemäß einem ersten Ausgestaltungsbeispiel wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 erläutert.
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In einem in der 1 gezeigten Verfahrensschritt wird die Faserverbundstruktur 12 mit der Vertiefung 14 nach oben, zu dem oberen Presselement 18 hin gerichtet, auf das untere Presselement 16 gelegt.
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Anschließend wird in einem in der 2 gezeigten Verfahrensschritt das Ausgleichselement 20 mit der komplementären, beschichteten Seite voran in der Vertiefung 14 angeordnet.
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Danach wird das obere Presselement 18 auf die Faserverbundstruktur 12 gelegt. Die Vakuumpumpe 24 wird aktiviert. Der Zwischenraum zwischen den Presselementen 16, 18, welcher mittels dem Dichtelement 28 zur Umgebung hin abgedichtet ist, wird mit einem Unterdruck beaufschlagt. Durch den Unterdruck werden die Presselemente 16, 18 aufeinander zu bewegt und gedrückt. Dabei wird die Faserverbundstruktur 12 zwischen den Presselementen 16, 18 gepresst.
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Mit der Heizeinrichtung 30 wird die Faserverbundstruktur 12 erwärmt, indem Infrarotstrahlung durch die Presselemente 16, 18 hindurch zur Faserverbundstruktur 12 gelangt. Da das Ausgleichselement 20 für Infrarotstrahlung durchlässig ist, gelangt die Infrarotstrahlung vom oberen Infrarotstrahler 34 durch das obere Presselement 16 und das Ausgleichselement 20 hindurch auch zur oberen Seite der Faserverbundstruktur 12 im Bereich der Vertiefung 14.
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Das Polymer der Faserverbundstruktur 12 wird durch die Infrarotstrahlung bis über seine Schmelztemperatur erwärmt und geschmolzen. So wird die Faserverbundstruktur 12 in Verbindung mit dem mechanischen Druck, der durch die Presselemente 16, 18 einwirkt, konsolidiert.
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Nach Beendigung des Erwärmungsprozesses wird die Faserverbundstruktur 12 abkühlt. Hierzu kann beispielsweise eine nicht gezeigte Kühleinrichtung verwendet werden.
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Nach dem Abkühlen wird das obere Presselement 18 entfernt. Das Ausgleichselement 20 wird, wie in der 4 gezeigt, aus der Vertiefung 14 entnommen. Anschließend wird die konsolidierte Faserverbundstruktur 12 aus der Vorrichtung 10 entnommen.
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In den 5 bis 7 sind die Verfahrensschritte zur Konsolidierung der Faserverbundstruktur 12 mit der Vorrichtung 10 aus den 1 bis 4 gemäß einem alternativen Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens gezeigt. Diejenigen Elemente, die zu denen des ersten Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens aus den 1 bis 4 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das alternative Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens unterscheidet sich von ersten Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens dadurch, dass bei dem alternativen Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens zunächst das Ausgleichselement 20 in der Vertiefung 14 angeordnet wird. Anschließend wird die Faserverbundstruktur 12 mit dem eingelegten Ausgleichselement 20 auf das untere Presselement 16 gelegt. Dies ist in der 5 gezeigt. Danach wird analog zur ersten Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend der dortigen 3 die Faserverbundstruktur 12, wie in der 6 gezeigt, erwärmt und verpresst. Anschließend wird die konsolidierte Faserverbundstruktur 12 abgekühlt
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Nach dem Abkühlen der konsolidierten Faserverbundstruktur 12 wird in einem Verfahrensschritt, welcher in der 7 gezeigt ist, zunächst die konsolidierte Faserverbundstruktur 12 gemeinsam mit dem Ausgleichselement 20 aus der Vorrichtung 10 entnommen. Anschließend wird das Ausgleichselement 20 aus der Vertiefung 14 der konsolidierten Faserverbundstruktur 12 entfernt.
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In den 8 bis 10 sind die Verfahrensschritte zur Konsolidierung der Faserverbundstruktur 12 gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens mit einer Vorrichtung 10 gemäß einen zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Diejenigen Elemente, die zu denen des ersten Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 aus den 1 bis 4 ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den 8 bis 10 unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 4 dadurch, dass bei dem zweiten Ausführungsbeispiel das Ausgleichselement 20 lösbar auf der dem oberen Presselement 18 zugewandten Oberfläche des unteren Presselements 16 befestigt ist. Bei dem Verfahren zur Konsolidierung der Faserverbundstruktur 12 gemäß dem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Faserverbundstruktur 12, wie in der 8 gezeigt, mit der Vertiefung 14 zum unteren Presselement 16 gerichtet so auf das untere Presselement 16 gelegt, dass die Vertiefung 16 auf dem Ausgleichselement 20 platziert wird.
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Anschließend wird, wie in der 9 gezeigt, die Faserverbundstruktur 12 analog zu dem Verfahrensschritt gemäß dem ersten Ausgestaltungsbeispiel des Verfahrens aus der 3 konsolidiert und anschließend abgekühlt.
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Nach dem Abkühlen wird die konsolidierte Faserverbundstruktur 12 aus der Vorrichtung 10 entnommen. Dabei verbleibt das Ausgleichselement 20 auf dem unteren Presselement 16.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Faserverbundstruktur
- 14
- Vertiefung
- 15
- Höhe der Faserverbundstruktur
- 16
- Presselement
- 18
- Presselement
- 20
- Ausgleichselement
- 22
- Presseinrichtung
- 24
- Vakuumpumpe
- 26
- Vakuumverbindung
- 28
- Dichtelement
- 30
- Heizeinrichtung
- 32
- Infrarotstrahler
- 34
- Infrarotstrahler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017105450 A1 [0002]